基于无线传感器网络的河流自动监测站设计

有低电压、低功耗的特点，使用IEEE 802.15.4协议能确保短距离通信的可靠性。CC2420芯片通过SPI针脚与处理器连接，处理器工作在主机模式，CC2420则是从设备。

　　2.2 节点软件设计

　　考虑到传感器网络本身特性和应用需求，传感器网络部分软件开发采用专门研发的TInyOS操作系统。其模块化设计降低了程序规模，适用于存储资源少和处理能力有限的传感器。TInyOS采用事件驱动模式，任务队列为空时，节点处于休眠状态，有效降低能量消耗。TInyOS支持的nesC语言是对C语言的扩展，实现了组件化/模块化思想与事件驱动执行模型的结合，开发方便。

　　采集节点的软件流程如图2所示。

　　系统上电后首先完成各个模块的初始化及对通信模块、外围电路、电源的检测等。因要采集节点的数字信号和模拟信号，因此分别采用中断和轮询两种方式采集感知信号。节点启动后，设置外部中断寄存器开启外部中断，设置INT1引脚的中断为上升沿触发，以中断方式记录数字传感器的感知事件。连接模拟传感器的节点启动后开启Timer，当时间Timer.fire()触发抛出Datdtask()任务，进行ADC采样、封装数据并将数据包发送到簇头节点。

　　2.3 路由协议

　　河流监测属于数据聚集应用，是无线传感器网络的一类重要应用模式。网络的惟一目的节点是汇聚节点，所有监测节点的数据都要发送到汇聚节点。因此设计中选用LEPS(Link Estimation and Parent Select)协议，适用于数据聚集应用的TinyOS多跳路由协议。

　　LEPS路由协议建立以汇聚节点为根节点的树形拓扑，每个节点维护自己与邻居节点间的双向链路质量评估，并以此为依据选择链路质量最好、跳数最小的邻居节点作为父节点。数据转发时网路层应用程序根据LEPS路由协议完成路由决策，选择有效路径将数据传输到汇聚节点。

　　 3 自动监测站设计

　　自动监测站在原有河流监测系统中只负责数据采集，而基于无线传感器网络的河流监测系统中的自动监测站既要实现原有的数据采集功能，还要充当无线传感器网络的网关实现协议转换和通信功能。

　　3.1 自动监测站硬件设计

　　自动监测站位于整个监测系统的中部，是信息传递的枢纽。负责启动、配置监测网络，协调无线传感器网络和原有自动监测，实现Zig-Bee无线协议与RTU通信协议之间的转换。

　　自动监测站处理大量监测数据和命令，因此设计中考虑到稳定性、可靠性等因素，自动监测站的汇聚节点使用Micaz节点。其51针扩展接口能够连接I2C，SPI，UART等接口，易与其他设备连接，射频模块还具有高速传输速率和加密功能。将Micaz节点与Mib510板连接即可以构成一个提供RS 232接口的基站。

　　RTU是自动监测站的核心设备，既要作为原有系统的数据采集器，还要承担无限传感器网络的网管功能。SIXNET的IPm2m RTU嵌入Linux系统，具有高级编程能力，并具有数据记录功能。接口丰富，不仅提供数字模拟混合I/O，还有RS 232，RS 485，以太网接口各一个。设计中RS 232接口用于和上层的PC机连接。RTU则通过RS 485接口与汇聚节点连接，RTU工作在主机状态，整个无线传感器网络则可看作从设备。

　　3.2 自动监测站软件设计

　　自动监测站的主要功能就是实现协议间的转换，将无线传感器网络的数据包格式解析成RTU数据格式并进行存储。

　　无线传感器网络中传输的主动消息包内容包括地址(Destination Address)、句柄ID(Handler ID)、组ID(group ID)、消息长度(Message Length)和有效数据载荷(Payload)。其中最大长度(29 B)的有效数据载荷中保存监测数据及源节点号这些重要信息。RTU通信消息格式包括包长、源地址、CRC校验位等固定部分，其中数据域内容包括消息类型、寄存器起始地址、占用寄存器的大小。数据域的大小可以根据需要进行调整。

　　自动监测站接收来自无线传感器网的所有主动消息包，剔除冗余信息提取有效数据，判断数据是否有效，无效则抛弃该数据包，有效则存储到RTU消息包的数据域，完成数据的二次封装，并将数据包发送到主控中心。软件流程如图3所示。

　　4 结论

　　无线传感器网络具有低成本、低功耗、与应用相关、便于部署等特点。适于在恶劣、复杂环境下完成目标监测、跟踪等功能，因此在环境监测，战场目标跟踪方面具有广泛前景。将无线传感器网络与原有河流监测系统结合能够扩大监测范围和精度。在下一步工作中将优化网络，提高网络的监测效率。